輸電系統

的500千伏三相輸電線，每座電塔左右方各有一組線路，圖右方樹後亦有另外兩組。全電廠發出的7079百萬瓦電力全部經由此六組輸電網路輸送]]

輸電系統（electric power transmission）也稱輸電線路，是指由發電廠至“次級本地負載中心”（變電所）之間的電能大量移動（極高壓大電能輸送過程）。

歷史
商業供電的早期，直流電會以單一電壓輸送予客戶使用，其後為改進電動機及其他設備的工作效率則改為輸送多種電壓以適應如照明、電動機或鐵路等不同的應用。由於直流電於低壓高電流的輸送時效率甚低，故需於負載中心附近設置小型發電機供電，類似現今的分散式發電。

首條長距離交流電纜為1884年都灵國際展覽中使用，約長，展示了交流電長距離輸電的能力。威廉·史坦雷於1885年設計了首個實際可用的交流電變壓器。他在乔治·威斯汀豪斯的支援下於1886年於麻省展示了一套基於變壓器的交流電照明系統。該系統由500伏西門子發電機推動，並以新設計的史坦雷變壓器降至100伏來供應予大街上23所商店，的輸電過程中僅有極少電力損失，由此推動威斯汀豪斯於該電其後開始安裝交流電系統。然而，由於電力供應未能支援而未有即時使用。1880年代後期，小型電力公司開始合併至較大型公司，例如歐洲成立了冈茨公司和AEG，美國則為通用电气及西屋电气，這些公司則有繼續發展交流電系統但因技術問題未能立刻將各種電力系統合併。

首條單相高壓交流電輸電網於1890年啟用，為威拉米特瀑布的水力發電廠輸送電力至俄勒岡州波特蘭，總長約。首條三相高壓輸電線則在美因河畔法兰克福於1891年為而興建。內卡河畔勞芬與法兰克福之間則建於一條175公里長的15千伏輸電線

20世紀期間，輸電系統的電壓一直上升。至1914年共有55套輸電系統使用70千伏以上的電壓，最高則為150千伏。輸電系統連接後使各發電機可以相連，從而減低了發電成本。電力網絡的穩定性亦因此而增加而資本投入則有所減少。輸電系統的發展亦容許設立水力發電等較遙遠的發電設備。輸電系統可將各發電機連接，使電力系統整體可按經濟調度原則為各發電機分配發電量，從而減少發電的平均成本，使距離較遠的電力供應商亦能便宜地提供電力。長距離電力輸送亦使偏遠可再生能源能納入至電力系統之中，包括太陽能電廠、風力發電場、海上風力發電場等一般與負載中心距離甚遠的發電方法亦依靠輸電系統來減低電力損失。

發電端
發電機的終端電壓（發電電壓）對比輸配電系統通常較低，視乎其額定容量約為15千伏至25千伏之間。發電機不遠處即連接着變壓器以提高電壓至輸電電壓，發電廠內或有變電站或開關站將發出的電力導至不同的輸電線路。風亦能把架空電纜吹動而造成大波幅低頻率的震動，稱之為又或導線跳動。

地底輸電
電力輸送亦可利用地下高壓電纜進行。地底電纜佔地需求較少，對景觀影響亦較低，受天氣干擾的機會亦較少。

地底電纜的主要限制為其温度限制，故載流容量通常不如架空電纜。長距離的交流電地底電纜亦會產生顯着的電容，而須作功率修正。直流電地底電纜不會產生電容故不受其限制，但就需要於變電站設置轉換器。假設負載中心用電量不變，即輸電系統須輸送相同能量時，由於電能損失與電流的大小的平方成正比。

焦耳第一定律中電力的損耗除與電流有關外，亦與電纜本身所帶有的電阻成正比關系。電纜的材質、温度、卷扎方法、集膚效應等皆會影響電阻。當電纜温度上升時，其電阻亦隨之增加。集膚效應使較高頻率的交流電有更高損耗。這些電阻皆可使用數學模型估計。

輸配電損耗為發電量與客戶用電量之間的差異，主要可以歸於輸電和配電系統的損耗。美國的輸配電損耗於1997年估計為6.6%，2007年為6.5%。

1980年時估計直流電輸電符合成本效益的最長距離為7,000公里，而交流電則為4,000公里，但現今世上所有輸電線路遠遠短於此上限。

交流電輸電系統中，輸電的效能受電纜的电感與電容顯著的影響。電纜自身為電阻與電感的集合，而電纜與大地之間自然會產生電容。因這些特性而產生的電流為無功功率，僅會在輸電網絡間儲存及輸送，無法為負載提供實際功率。然而電流不論有否做功，依然會因電阻而產生損耗，故設計輸電系統時亦須減少系統當中的電容和電感，提升功率因数，減低因無功電流而做成的損耗。由於電感和電容是輸電網絡與電纜的固有特性無法直接消除，故只可額外加入電感和電容以抵消其效果，例如電容器組可與電纜串聯以抵消電纜自身的电感。這些高壓直流海底電纜主要用於連接島嶼至電網，例如大不列顛島與歐洲大陸之間、大不列顛島與爱尔兰岛之間以及塔斯馬尼亞與澳洲大陸之間、紐西蘭兩島之間等，可長約600公里左右。

高壓直流輸電亦能按負載流分析控制交流電電力潮流。輸電線中輸送的電力增加時，電力輸送源（發電機）與接收端之間的功角亦會隨之上升，而功角過高時會使兩者不再同步，即功角穩定問題。由於直流電由輸電線兩端獨立轉換，所以不會受功角所限制，而可輸送電纜所容許的最大容量。高壓直流輸電也可用於不同頻率的交流電系統互聯。北美的次輸電系統通常為69千伏、115千伏或138千伏。部份次輸電系統為輸電網絡因應發展而擴張及提高電壓後由輸電系統轉換而成。次輸電系統既帶有輸電系統輸送大量電力的特徵，亦有配電系統為地區供電的特點。

配電端
變電站會於輸電系統的分支將高壓電轉換為較低電壓並連接至配電系統。

負載流控制
負載流分析又名電力潮流，是輸電網絡中整體電力輸送的数值分析，通常使用和{{tsl|en|per-unit system|標么系統|標-{么}-系統}}以簡化計算，以集中處理電壓、功角、有用功及無用功等數值。負載流分析亦能用於分析各設備故障後的情況，讓輸電系統擁有者提前作等準備。

數學理論
高壓輸電系統的好處
高壓輸電系統令遠距離輸送電力的損耗較少，從而減低發電及操作成本。

在極為簡單的數學模型中可以假設輸電網路由單一發電機輸送電力至單一負載，由交流電源和純電阻表示，而輸電線僅有電阻。

由於線路為串聯且沒有變壓器，則輸電線的電阻與負載的電阻則為分壓器。串聯中所有零件皆有同樣電流流通，為I=\frac{V}{R+R_C}。故此，負載的所收到的可用功為：
:P_R= V_2\times I = V\frac{R}{R+R_C}\times\frac{V}{R+R_C} = \frac{R}{R+R_C}\times\frac{V^2}{R+R_C} = \frac{R}{R+R_C} P_V
現在輸電線路中加上變壓器，於供電最後階段變壓為低電壓高電流。理想變壓器僅將輸入的能量轉換，使電壓按比例a減少時，電流則以a增加。同樣按分壓器方法計算，輸電線路的電阻經過變壓器後僅為R_C/a^2，而可用功則為：
:P_R= V_2\times I_2 = \frac{a^2R\times V^2}{(a^2 R+R_C)^2} = \frac{a^2 R}{a^2 R+R_C} P_V = \frac{R}{R+R_C/a^2} P_V

如a>1，即電壓於負載則由高壓降至低壓，從上述算式可見輸電網絡的損耗將有所減少。

模型及矩陣
大多數時候，輸送系統的模型只會關注輸電線兩端的特性，包括傳送（S）及接收（R）兩端的電壓和電流。輸電網則可以化為一個2x2矩陣的「黑盒」：

:
\begin{bmatrix}
V_\mathrm{S}\\
I_\mathrm{S}\\
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
A & B\\
C & D\\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
V_\mathrm{R}\\
I_\mathrm{R}\\
\end{bmatrix}

輸電線一般假設為對稱的網絡，送電端與受電端相互對調時對輸送電力沒有影響。輸電矩陣T會有以下特性：

\begin{bmatrix}\Delta \theta \\ \Delta |V|\end{bmatrix} = -J^{-1} \begin{bmatrix}\Delta P \\ \Delta Q \end{bmatrix}

而\Delta P及\Delta Q稱為失配公式（mismatch equations），J則為雅可比矩阵，G與B分別為的實數及虛數部分：

\Delta P_i = -P_i + \sum_{k=1}^N |V_i||V_k|(G_{ik}\cos\theta_{ik}+B_{ik}\sin \theta_{ik})

\Delta Q_{i} = -Q_{i} + \sum_{k=1}^N |V_i||V_k|(G_{ik}\sin\theta_{ik}-B_{ik}\cos\theta_{ik})

J=\begin{bmatrix} \dfrac{\partial \Delta P}{\partial\theta} & \dfrac{\partial \Delta P}{\partial |V|} \\ \dfrac{\partial \Delta Q}{\partial \theta}& \dfrac{\partial \Delta Q}{\partial |V|}\end{bmatrix}

對健康的影響
有數個大型研究中無法找到居住於輸電線路附近與罹患疾病甚至癌症之間的關系。一個1997年的研究顯示不論與輸電線或變電站的距離有多近，皆沒有發現癌症或其他疾病的風險有所增加。

主流科學證據皆認為低功率低頻率的輸電線路電磁輻射不會構成任何長期或短期的風險，但部分研究則發現部分疾病或與於輸電線旁居住或工作有關連。整體而言沒有負面健康影響足以構成不居住於輸電系統旁的原因。

於1978年舉行一項研究去評估電場對人體健康的影響，當中將一座新建的765千伏輸電線路邊沿的測量值，每米1.6千伏，定為日後州內新建輸電線路的最高容許值。該研究亦限制新建的輸電網絡最高電壓值為345千伏。1990年9月11日，紐約州公共事業委員會再推行有關磁場對人體健康影響的研究，並將線路邊沿標準定為200mG。如日常用品相比較，風筒或電暖氈約產生100mG至500mG的磁場。電動剃鬚刀等為每米2.6千伏。電場可利用屏蔽減少，而磁場則只能依靠最佳化各相的位置來減少。當提出興建新輸電線路時，交予監管機構的申請表中通常需要加入輸電線邊沿的電場和磁場分析。這些分析通常由電力公司或顧問使用模型軟件計算而得。

暴露於1高斯的高磁環境可引起生理反應。僅有有限證據指出住所環境中會對人體有致癌風險，對動物實驗的證據亦不足夠。其中，兒童白血病或與暴露於0.003至0.004高斯有關連，但一般家居環境於歐洲只有約上述數字的五分之一，於北美則只有約三分之一。

地球自然的地磁場約為0.35-0.70高斯，而一般人長期暴露於磁場中的標準則為400高斯。

各式輸電政策
部分監管機構將輸電系統定義為自然垄断的一種，但亦有不少國家將輸電系統與供電系統的其他部分分離，打破電力產業的垂直整合。

電力公司控制
第一種輸電系統為垂直整合的電力公司獨立控制，利用其輸電系統輸送電力至各負載中心再作售電。香港兩間電力公司皆為垂直整合公司，擁有完整的發電、輸電、配電及零售業務。根據利潤管制協議，電力公司可利用包括輸電系統在內的固定資產賺取一定利潤水平。蘇格蘭電力亦為一間垂直整合的電力公司，擁有整套電力業務，唯部分輸電系統交予英國國家電網公司營運。

單獨輸電業務公司
有些國家或地區擁有一間垄断性的輸電公司，電力公司可以作發電及零售，但當中必須經過輸電公司。西班牙為首個成立地區輸電組織的國家。西班牙電網公司於1985年由西班牙政府成立，負責管理西班牙全國的輸電系統。 英國的電力事業曾由國營的中央電力局掌控，1990年電力自由化後中央電力局解體後成立英國國家電網公司，獨立擁有英格蘭和威爾斯的輸電系統，並營運蘇格蘭南部的輸電系統。英國國家電網公司於1995年於倫敦證券交易所上市。

強制開放輸電系統
正在簽署2005年能源政策法案]]
（FERC）是美國電力輸送及批發的主要監管機構，1920年以「聯邦電能委員會」之名成立。配電業務及售電則由各州各自管理。兩項較為重要的美國輸電系統政策為888號命令及2005年能源政策法案。

888號命令訂立於1996年4月24日，用以「移除電力批發市場的障礙並由此為國內電力用戶提供更有效率及價格低廉的電能。此政策將糾正輸電系統中控制何種電力才能輸送的不正當壟斷。」888號命令要求所有擁有、控制或營運跨州輸電系統的公共事業者設立不帶差別待遇的輸電收費機制。這種收費機制使發電業者可使用現有建成的輸電系統，而輸電系統的擁有者亦可從其中收回相關成本。2005年能源政策法案則於2005年8月8日訂立，為聯邦能源監管委員會提供更多權力以管制輸電系統。委員會可以就輸電系統的穩定性標準執法，亦須設立誘因以鼓勵輸電系統的投資。

歷史上本地政府負責管控當地的輸電系統，故會為有益於其他州份而對該州份無益的行為施加大量限制。有較低廉電費的地區亦會反對跨州交易以免電費上升。美國的發電業務比輸電業務發展快達四倍，因輸電系統的建設需要跨州充份合作而難度有所增加。政策角度而言電網變得巴尔干化，以致前美國能源部長比尔·理查森指其為「第三世界電網」。2005年能源政策法案容許美國能源部批核輸電系統的建設，但當該部使用權力建立兩條時被14名參議員聯署指其過於進取。

特殊輸電系統
鐵路電網
有些國家的電力機車或電聯車使用低於一般電網的頻率，又或會使用直流供電，故會建立鐵路專用的單相或直流。例子包括歐洲的16 2/3赫茲電網。

超導體輸電線
高溫超導技術能無損耗地輸送電力，故或會革新輸電系統的運作方式。現時超導體可在高於液氮温度的情況下保持無損耗性質，使其在於高負載之下有商業價值。一般估計以此方法輸送電力可將電力損耗減半，餘下電力主要用於冷卻設備。部分公司如聯合愛迪生及等已開始商業製造上述系統。一種可能的未來系統為，將輸電線於液氮管線相連從而消除冷卻費用。

超導體輸電線特別適合於大城市中的商業區等集中負載區使用，因於當地通常皆需使用地底電纜，而且地役权相當昂貴。

單線地回路
單線地回路系統使用單條電纜輸送單相電力，並以大地作為回路，以減少為偏遠地區提供電力的成本。此系統主要用於郊區電氣化，但亦有用於如水泵等較大的偏遠負載及海底高壓直流輸電。

無線輸電
作大功率長距離輸電]]

尼古拉·特斯拉及八木秀次都曾嘗試設計大型無線輸電系統，但兩者皆沒有成功。

2009年11月，（LaserMotive）憑一款可驅動攀線器上升1公里的激光發射器贏得美國太空總署2009年供能激光挑戰（NASA 2009 Power Beaming Challenge）。該系統可使接受端取得1千瓦的能量。2010年美國太空總署與私人公司簽約以研究有關激光輸能系統驅動低軌道衞星以及利用激光發射火箭的設計。太空太陽能亦有無線輸電的研究以便將太空中收集所得的能量以微波或激光形式傳送到地球，在地球表面接收後轉化爲電能。

輸電控制系統保安
美國政府承認美國國內的輸電網絡或受網絡戰的影響。美國國土安全部與業界合作辨識控制系統的弱點並提升網絡的保安。美國政府亦確保下世代的智能電網會配有合適的保安系統。

2019年6月俄罗斯承認其或受到美國綱絡攻擊。紐約時報報導指美國網戰司令部的黑客設置了或有能力擾亂俄羅斯電網的惡意軟件。

紀錄

• 最高容量系統：12吉瓦，准东-皖南±1100千伏高壓直流輸電系統（中华人民共和国）
• 最高交流電壓：

**-{zh:計畫;zh-hans:计划;zh-hant:計劃;zh-tw:計畫;}-：1.20百萬伏特，沃爾塔-奧郎加巴德線（印度）
**現有：1.15百萬伏特，（哈萨克）

• 最大雙迴線輸電線路：（日本）
• 最高輸電塔：370米高，（中华人民共和国）
• 最長輸電線路：1700公里長，（刚果民主共和国）
• 最長輸電線段（兩座輸電塔之間）：5376米，（格陵兰）
• 最長海底電纜：

**，北海（挪威/荷兰，580公里長）
**，巴斯海峡（澳大利亚，海底290公里，總長度370.1公里）
**，波罗的海（德国/瑞典，海底238公里，高壓直流輸電250公里，總長度262公里）

• 最長地底電纜：

**（澳洲，地底170公里）

參見
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• 需求反應

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• 高压电线
• （FACTS）
• （GIC）

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• 負載流分析

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參考資料
延伸閱讀

• Grigsby, L. L., et al. The Electric Power Engineering Handbook. USA: CRC Press. (2001).
• , Networks of Power: Electrification in Western Society 1880–1930, The Johns Hopkins University Press, Baltimore 1983

*

• Pansini, Anthony J, E.E., P.E. undergrounding electric lines. USA Hayden Book Co, 1978.
• Westinghouse Electric Corporation, "Electric power transmission patents; Tesla polyphase system". (Transmission of power; polyphase system; )
• [http://www.bsharp.org/physics/transmission The Physics of Everyday Stuff - Transmission Lines]